Formación integral en Red Edusat: Comunicación satelital, Apuntes de Ingeniería de Comunicaciones

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Fundamentos

de comunicación satelital

Características generales

Sistemas de comunicación

Para comprender el proceso de transmisión y recepción de la señal Edusat es ne- cesario conocer los aspectos básicos de la comunicación satelital.

Principios de un sistema de comunicación

Un sistema de comunicación se describe como el conjunto de elementos que orde- nadamente relacionados entre sí, tienen la capacidad de establecer la transmisión de un mensaje entre dos puntos independientes.

Los elementos fundamentales o indispensables que intervienen en el principio de comunicación son:

a) Emisor o transmisor : es el elemento que inicia la comunicación; es el encargado de transmitir el mensaje en un lenguaje que el receptor o receptores puedan descifrar con facilidad para poder establecer el enlace de comunicación.

b) Medio o canal : es el medio utilizado por el transmisor para hacer llegar el mensaje al receptor.

c) Receptor : es el elemento encargado de recibir el mensaje transmitido por el emisor a través de un medio. Al recibirse el mensaje se cumple el ciclo de la co- municación.

Descripción de comunicación

La información se origina en una fuente y se transmite a un destinatario por medio de un mensaje a través de un canal de comunicación; el receptor generalmente se encuentra en un punto geográfico distante o por lo menos separado del transmisor. La distancia entre el transmisor y el receptor puede variar, desde pocos centímetros (al hablar frente a frente), hasta cientos o miles de kilómetros (como es el caso de las transmisiones telefónicas).

Ruta de comunicación

Fuente de información Transmisor

Canal de comunicaciones

Destinatario de la información Receptor

terísticas de la información que se transmite; por lo tanto, una señal analógica (onda senoidal) es una señal de variación continua. Un ejemplo de sistemas analógicos es la señal acústica de un instrumento musical.

Señal digital

Es aquella que está conformada por valores discretos tales como los dígitos binarios (0 y 1), por lo tanto, se puede decir que una señal digital es igual a una señal discreta en amplitud. Algunos de los sistemas digitales más comunes son las calculadoras, algunos tipos de te- léfonos celulares, computadoras etcétera.

Desarrollo de los sistemas de comunicación

Las necesidades de comunicación que demanda el mundo actual, han generado la prioridad de desarrollar diversos sistemas de comunicación, éstos son diseñados de acuerdo a las condiciones que se requieren en la transmisión de la información, desde un sistema para la transmisión o recepción de voz hasta complejos sistemas de transmisión o recepción de datos para transac- ciones bancarias o comerciales, o bien para el uso de estrategia militar. Aquí cita- remos algunos de los usos más comunes.

Telegrafía. Se consideró en su etapa inicial fundamental para las telecomunica-

ciones alámbricas, ya que implementaba los elementos básicos del principio de la comunicación (emisor, medio, receptor) utilizando el código Morse, esto es una codificación de rayas y puntos eléctricos u ópticos, que permitió la comunicación entre regiones lejanas.

Radio. Es el sistema de comunicación que actualmente tiene más realce dentro

del ramo de las telecomunicaciones. Su transmisión puede ser digital o analógica. Algunos ejemplos de este sistema son la radio comercial y los diversos sistemas de radio comunicación tales como: civil, militar y oficial. Debido a que algunos de éstos usan tecnología de punta ( satélites , fibras ópticas , señales digitales) permiten abarcar con mayor calidad y cantidad los distintos puntos de cobertura.

Televisión. Este sistema de comunicación en la actualidad es analógico o digital; su

uso se ha ampliado, pues no sólo es comercial, sino también educativo, guberna- mental, de investigación y otros. Algunos de estos sistemas usan tecnología de punta (satélites, fibras ópticas, señales digitales).

Telefonía. Este sistema puede ser alámbrico o inalámbrico; por ejemplo se tienen

las redes de telefonía satelital, telefonía celular, red pública de telefonía o bien los radio localizadores.

Señal discreta

Ventajas de una señal digital sobre una analógica:

_- Mejor calidad del video

• Mayor capacidad en transmisión de datos
• Reduce el uso del ancho de banda
• Es más económica porque al comprimirse la señal se_ pueden enviar por un mismo transponder varias señales a la vez

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Comunicación satelital

El siglo XX ha sido denominado el de las comunicaciones espaciales, ya que se ha al- canzado la tecnología necesaria para poner en órbita diferentes satélites artificiales; esto se logró como resultado de años de investigación, trabajo y por la gran visión tecnológica de muchos hombres en el mundo.

Tipos de satélites

Satélite natural

Es un cuerpo celeste animado con movimiento de translación entorno, general- mente, de un planeta.

Satélite artificial

Es un elemento físico capaz de recibir y transmitir señales en forma analógica o di- gital de alta calidad, está colocado en órbita por las necesidades que tiene el hombre para recibir y transmitir información a cualquier punto de la Tierra. La mayoría de los satélites de comunicación se colocan en el arco satelital; es decir, se encuentran en la órbita geosíncrona o geoestacionaria , a una altura aproximada de 36, Km sobre el Ecuador; su velocidad es igual a la de la rotación terrestre y giran sobre su propio eje; por ello, cada satélite parece inmóvil con respecto a la Tierra, per- mitiendo que las antenas fijas apunten directamente hacia cualquier satélite.

Un satélite es capaz de recibir y transmitir datos, audio y video en forma analógica o digital de alta calidad y en forma inmediata. Está formado por transpondedores. El satélite toma su energía de la radiación solar, cada satélite tiene un tiempo de vida determinado que varía según la cantidad de combustible que posee. Dicho com- bustible sirve para mover al satélite cada vez que éste se sale de su órbita, si el satélite pierde su posición y no tiene combustible, no hay manera de regresarlo ya que es atraído por las fuerzas espaciales hasta que se pierde. El satélite tiene un margen bien determinado en el espacio, como un cubo imaginario de apro- ximadamente 75 Km por lado, en el cual se desplaza sin salirse de control.

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Subsistemas de un satélite

Un satélite generalmente se diseña en varios subsistemas para que al ser puesto en órbita pueda ser controlado desde la tierra. Cuenta con los subsistemas de potencia, propulsión, telemetría y comando, y el de comunicaciones, entre otros.

Subsistema de potencia

Éste genera y distribuye potencia eléctrica de corriente directa para soportar las operaciones del satélite durante todas las fases de la misión. La potencia primaria es proporcionada por radiación solar a través de las celdas solares de alta densidad hasta el fin de su vida; la potencia secundaria es proporcionada durante el lan- zamiento y los eclipses por un sistema de baterías de níquel-hidrógeno.

Subsistema de propulsión

Se trata de un sistema integral bipropelante que permite la inserción en órbita, el control de orientación y las funciones de mantenimiento en su órbita geosíncrona.

Subsistema de telemetría y comando

Éste proporciona la recepción y demodulación de comandos en la banda C para su alineación en el cubo imaginario de operación, y de comandos durante todas las fases de la misión.

Partes de un satélite artificial

El satélite está conformado por las siguientes partes principales:

_- Arreglo de paneles solares

• Reflectores orientados al Este y al Oeste
• Amplificador de antena
• Sensores
• Antena dipolo para_ banda L - Varios subsistemas para el control del satélite

Partes de un satélite artificial

Subsistema de comunicaciones

Este permite ampliar y diversificar los servicios de comunicación satelital que ac- tualmente existen, así como optimizar el uso del segmento espacial al permitir nuevas técnicas de explotación; también permite manejar las regiones de cobertura para la comunicación en diferentes bandas, como la banda C, Ku y L.

Transponder

Es un dispositivo que forma parte del satélite, el cual cuenta con varias antenas que reciben y envían señales desde y hacia la Tierra. Los satélites tienen Transpondedores verticales y horizontales. El transponder tiene como función principal amplificar la señal que recibe de la estación terrena, cambiar la frecuencia y retransmitirla con una cobertura amplia a una o varias estaciones terrenas. Recoge la señal entrante de la antena receptora, ésta es amplificada por un LNA (amplificador de bajo ruido), que incrementa la señal sin admitir ruido. De la salida del LNA la señal es introducida a un filtro Pasa Banda (FPB) para eliminar lo que no pertenece a la señal original y luego esta señal se pasa a un convertidor de frecuencia (OSC) que reduce la señal a su frecuencia descendente, ésta pasa para su amplificación final a un HPA (amplifi- cador de alta potencia, usualmente de 5 a 15 watts), que tiene un amplificador de potencia de estado sólido (SSPA) como amplificador de salida. Una vez concluido el proceso, la señal pasa a la antena descendente y se realiza el enlace con la estación receptora.

Diagrama básico de un transpondedor en banda C

Tipos de transpondedores

Transpondedor Estructura Ancho de banda Banda

Tipo N Angosto 36 MHz C 6/4 GHz Tipo W Ancho 72 MHz C 6/4 GHz Tipo Ku Ancho 54 o 108 MHz Ku 14/12 GHz Tipo Ku Angosto 36 MHz Ku 14/12 GHz

Satélites mexicanos

En la actualidad, México tiene asignados tres segmentos espaciales, o posiciones orbitales, para el servicio nacional y de casi todo el continente, empleando para ello tres satélites con diferentes tipos de coberturas: Solidaridad II, Satmex 5 y Satmex 6. Como es conocido, la Red Edusat emplea actualmente dos satélites: Solidaridad II y Satmex 5.

Nota: las frecuencias pueden cambiar por aspectos técnicos que convengan a la DGTVE.

Ubicación de los satélites mexicanos

Los satélites mexicanos se encuentran ubicados sobre el arco satelital, ubicado a una latitud 0° donde está el Ecuador. El satélite Satmex 6 se encuentra ubicado en la posición orbital de 109.2° Oeste, el satélite Solidaridad II tiene una longitud de 113° Oeste, mientras que el satélite Satmex 5 se encuentra en 116.8° Oeste, con referencia al meridiano de Greenwich.

Satélites Solidaridad

El sistema de satélites Solidaridad representa la segunda generación de comuni- caciones espaciales para México. En forma similar a los satélites Morelos, cada uno de los Solidaridad cuenta con 18 Transpondedores en banda C, pero con mayor potencia que la de los primeros, y con cobertura en más áreas geográficas, gracias a la tecnología de los amplificadores de estado sólido que se emplearon en su construcción.

Asimismo, dentro de la carga útil se cuenta con 16 transpondedores de banda Ku equivalentes a 4 veces la capacidad que se tenía en los Morelos. Adicionalmente existe un sistema de transmisión en banda L, que permite dar ser-vicios de comunicación móvil a todo el país, incluyendo sus costas y mar territorial.

Todas las bandas empleadas por los satélites cubren el territorio de México, además de las extensiones en banda Ku para coberturas en la frontera sur de los EUA, la costa este y las ciudades de San Francisco y Los Ángeles. La cobertura en banda C se extiende hacia el Caribe, centro y Sudamérica. El centro de control y operaciones para los satélites se encuentra ubicado en Iztapalapa, D.F., y se cuenta con todos los sistemas electrónicos necesarios para mantener en sana operación esta flota.

Satélite Equipo Transponder Freq. Subida (GHz)

Freq. Bajada (GHz)

Solidaridad II DVB 3N 6.025 3. Satmex 5 DVB 24C 6.405 4.

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Asimismo, con el propósito de garantizar gran confiabilidad en el servicio, se cuenta con un centro de control alterno en la ciudad de Hermosillo, Sonora, en la parte noreste del país.

Satélite Solidaridad II

Especificaciones técnicas

Satélite Solidaridad II 36 MHz Banda C 72 MHz Banda C 54 MHz Banda Ku

PIRE (dBW) en la orilla de la cobertura

R1: 37. R2: 36. R3: 37.

R1: 40.1 R4: 47.0R5: 45.

G/T (dB/°K) en la orilla de la cobertura

R1: 4 R2: 1 R3: -

R1: 2 (^) R5: -1R4: 2

Densidad de flujo a saturación (dBW/m2)

R1: - R2: - R3: -

R1: -91 R4: -94R5: -

No. de transpondedores 12 6 16

Redundancia 14 SSPA para 12 canales

8 SSPA para 6 canales

19 TWTA para 16 canales

Rango de atenuación de entrada

0 a 14 dB en pasos de 2 dB

0 a 14 dB en pasos de 2 dB

0 a 22 dB en pasos de 2 dB

Inicio de operación diciembre de 1994

Vida estimada de operación 14 años

Posición orbital 113° Oeste

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Satélite Satmex 5

Fue fabricado por Hughes Space & Communications, en California, EUA, lugar en donde se construyó la primera y segunda generación de satélites mexicanos. En el trabajo de diseño e integración de este satélite participaron ingenieros mexicanos. La vida útil esperada de Satmex 5 es de 15 años y fue puesto en órbita por un co- hete de Arianespace en 1998. Satmex opera este satélite desde su centro primario en Iztapalapa, D.F. y cuenta con un centro de control alterno en Hermosillo, Sonora, con lo que se garantiza la operación del sistema, de la misma forma que se hizo para los satélites Solidaridad. Tiene celdas solares de arseniuro de galio y cuenta con nueva tecnología en la batería y el sistema de propulsión, para operar con 24 Transpondedores de banda C y 24 de banda Ku de alto poder. Esta capacidad en banda Ku le permite la transmisión de señales de televisión directa al hogar (DTH), a antenas menores de un metro de diámetro; su PIRE (potencia isotropita radiada efectivamente) y sus márgenes de G/T ( gain to noise temperatura ratio )le dan ca- pacidad suficiente para hacer radiodifusión digital con gran confiabilidad; además, los haces de cobertura brindan servicio a casi todo el continente americano.

Beneficios de Satmex 5

El nuevo satélite Satmex 5, lleva a México a una auténtica globalización de los ser- vicios satelitales, ya que cuenta con cobertura continental en todos sus anales, una potencia diez veces superior a los anteriores satélites Morelos, tres veces superior a los Solidaridad, y tiene la tecnología satelital más avanzada, que le permitirá tener una vida útil superior a los 15 años.

Las aplicaciones satelitales que requieren gran demanda de potencia pueden ser atendidas por Satmex 5, dado que se puede tener un mejor aprovechamiento del segmento espacial. La gran capacidad en potencia efectiva radiada y la elevada densidad espectral de sus transpondedores permiten la radiodifusión digital con gran confiabilidad.

Las nuevas aplicaciones que operan en formatos DVB alcanzan importantes eco- nomías de escala al aprovechar al máximo las características del Satmex 5. Los sis- temas como el de televisión directa al hogar (DTH) logran el beneficio de poder transmitir a estaciones con antenas menores a un metro de diámetro, particular- mente dentro de la cobertura de Norteamérica.

Para los usuarios de servicios ocasionales, Satmex 5 en su banda Ku, les ofrece la posibilidad de utilizar equipos digitales portátiles, que reducen considerablemente los costos de operación, además de hacer más flexible y dinámico el despliegue de sus equipos de noticias y eventos especiales. Históricamente y por razones fun- damentalmente económicas, las receptoras de banda C han sido las preferidas por las cadenas de televisión comercial y sistemas por cable, tanto en Latinoamérica como en EUA y Canadá. La cobertura continental de la banda C del Satmex 5, propiciará el crecimiento de la distribución de la televisión por cable y la educación a distancia con costos más competitivos.

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Satélite Satmex 6

Satmex 6 es el satélite más grande que ha construido Space Systems Loral (SSL) , pertenece a la familia FS-13000X, capaz de generar 13.7 KW (BOL) al inicio de su vida útil con un total de 60 Transpondedores de 36 MHz cada uno; 36 canales en banda C darán servicio en tres regiones (Estados Unidos, Sudamérica y la Plataforma Continental) y 24 canales en banda Ku con cobertura NAFTA y Continental, con un haz de alta potencia sobre las principales ciudades de Sudamérica incluyendo Brasil, siendo con ello el satélite con mejor cobertura en el Continente Americano. Este satélite se encuentra ubicado en la posición orbital de 109.2° Oeste.

Especificaciones técnicas

Satélite Satmex 6 Banda C 36 MHz Banda Ku 36 MHz

Cobertura C (^) CONUSC1 SudaméricaC2 ContinentalC3 NAFTAKu-

Ku- Continental + haz regional en Sudamérica

PIRE a la orilla de la cobertura 40 dBW^ 39 dBW^ 38 dBW^ 49 dBW

Continental: 46 dBW Sudamérica: 49 dBW Número de transpondedores 12 12 12

12 fijos + 6 conmutables

6 fijos + 6 conmutables

G/T a la orilla de la cobertura 0.0 dB/K^ -1.5 dB/K^ -3.0 dB/K^ +1.5 dB/K

Continental: -3.5 dB/K Sudamérica: -0.5 dB/K

Densidad de flujo en saturación a la orilla de la cobertura

98 dBw/ m

98 dBw/ m2 98 dBw/m2^ 98 dBw/m

Continental: -98 dBW/m Sudamérica: -98 dBW/m

Redundancia 16:12 16:12 16:12 16:12 16:

Potencia (nominal) 42 W 33 W 47 W 150 W 250 W

Rango del atenuador 0 a 15 dB en pasos de 1 dB 0 a 20 dB en pasos de 1 dB

Tolerancia de deriva + 0.05° N-S + 0.05° E-W

Inicio de operación Principios de 2003

Vida útil estimada 15 años Posición orbital (^) 109.2° Oeste

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Satélites utilizados por la Red Edusat

Para atender y apoyar la creciente demanda en todos los niveles educativos y aliviar el rezago en las poblaciones más alejadas y dispersas del territorio nacional, la Secretaría de Educación Pública hace uso del sistema de televisión vía satélite, uti- lizando la señal de compresión digital de los satélites geoestacionarios Solidaridad II y Satmex 5.

Cobertura Solidaridad II

La Red Edusat opera con la tecnología para la compresión: tecnología DVB.

La tecnología DVB opera a través del satélite Solidaridad II, transponder 3N, Región 1, la cual cubre en su totalidad la República Mexicana.

Cobertura actual Solidaridad II, Región 1 C

El satélite Solidaridad II, para la Red Edusat utiliza una polarización vertical, y opera para los decodificadores con tecnología DVB El satélite Satmex 5, para la Red Edusat utiliza una polarización horizontal, y opera para los decodificadores con tecnología DVB

Cobertura Satmex 5

La tecnología DigiCipher II, opera a través del satélite Satmex 5, Transpondedor 24 C, el cual presenta una cobertura de tipo Continental.

Cobertura actual de Satmex 5